Zusammenfassung:
Forscher am Quantum Technology Centre der National University of Singapore haben kürzlich einen wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet der Atomuhren bekannt gegeben. Sie nutzten das Seltenerdelement Lutetium, um eine neue Art optischer Atomuhr zu entwickeln, und durch einen präzisen Vergleich zwischen zwei Atomuhren desselben Typs konnte die Systemunsicherheit auf 1,2×10⁻¹⁹ reduziert werden. Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass dieses Ergebnis die Lutetium-Atomuhr zu einem der genauesten derzeit verfügbaren Zeitmessgeräte macht und voraussichtlich eine Kandidatentechnologie für die Neudefinition der „Sekunde“ im Internationalen Einheitensystem in der Zukunft sein wird.
Diese Studie kommt zu einem Zeitpunkt, an dem die globale Metrologie-Gemeinschaft darüber nachdenkt, ob die grundlegende Definition von „Sekunde“ neu definiert werden muss. Eine Sekunde im aktuellen Internationalen Einheitensystem wird basierend auf der Übergangsfrequenz zwischen den beiden Hyperfeinenergieniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms definiert, die 9192631770 spezifischen Mikrowellenübergängen entspricht. Cäsium ist seit den 1960er Jahren das Kernmaterial von Atomuhren, aber mit der rasanten Entwicklung der optischen Atomuhrentechnologie konnte die nächste Generation von Atomuhren, die aus Elementen wie Strontium, Ytterbium und Kalzium hergestellt werden, eine viel höhere Genauigkeit erreichen als herkömmliche Cäsium-Atomuhren.
Das Grundprinzip optischer Atomuhren besteht darin, mithilfe von Lasern Elektronen in Atomen präzise zu steuern und so den Übergang der Elektronen zwischen zwei Quantenzuständen zu bewirken, und das Timing durch Messung der Frequenz dieses Übergangs zu messen. Der Quantenübergang von Elektronen kann als ein äußerst stabiles „Pendel“ verstanden werden. Solange dieser Schwung genau genug kontrolliert und gemessen werden kann, kann eine außergewöhnlich genaue Zeitbasis erhalten werden.
Lutetium ist für Forscher von Interesse, da das Element einige Eigenschaften besitzt, die es ideal für den Bau hochpräziser Atomuhren machen. Lutetium ist ein Lanthanidenelement mit einer großen Atommasse und aufgrund seiner elektronischen Struktur relativ wenig anfällig für Umwelteinflüsse. Insbesondere ist es unempfindlich gegenüber Wärmestrahlung und Magnetfeldänderungen und kann daher systematische Fehler reduzieren, die durch Umweltfaktoren im Timing-Prozess verursacht werden.
Die Forscher sagten, dass diese Eigenschaft der Lutetium-Atomuhr dazu führt, dass selbst wenn sich die Umgebungstemperatur erheblich ändert oder sich die Magnetfeldbedingungen ändern, die Atomuhr immer noch eine relativ stabile Zeitleistung aufrechterhalten kann. Murray Barrett, der Leiter des Forschungsteams und Physiker an der National University of Singapore, sagte sogar, dass diese Atomuhr immer noch eine sehr hohe Stabilität aufrechterhalten kann, wenn sie von einer Umgebung mit extrem hohen Temperaturen wie dem Death Valley in den Vereinigten Staaten in eine Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen wie dem antarktischen Plateau gebracht wird.
Lutetium hat auch einen sehr wichtigen Vorteil, nämlich dass die damit verbundene atomare Übergangsfrequenz sehr hoch ist, etwa das 10.000-fache der Frequenz, die von Cäsium-Atomuhren verwendet wird. Eine höhere „Tick“-Frequenz führt dazu, dass mehr Messzyklen pro Zeiteinheit erreicht werden können und schafft damit die Grundlage für eine äußerst präzise Zeitmessung.
Lutetium ist jedoch auch eines der seltensten Seltenerdelemente auf der Erde und zudem ein relativ wenig untersuchtes Element. Dies bedeutet, dass es zwar theoretisch gut als Material für Atomuhren geeignet ist, Wissenschaftler jedoch noch nicht vollständig verstanden haben, wie sich Lutetiumatome in einer hochpräzisen Zeitmessumgebung tatsächlich verhalten.
Murray Barretts Team arbeitet seit etwa 10 Jahren an Lutetium-Atomuhren. Im neuesten Experiment bauten die Forscher zwei Lutetium-Ionen-Atomuhren und verglichen sie nach strengen messtechnischen Standards miteinander. Durch jahrelange Sammlung experimenteller Daten und eingehende Forschung zu den Eigenschaften der Lutetiumionen selbst konnte das Team die Systemunsicherheit schließlich auf 1,2×10⁻¹⁹ reduzieren.
Diese Zahl stellt das Ausmaß des systematischen Fehlers dar, den eine Atomuhr bei der Messung ihrer eigenen Frequenz haben kann. Um zu verstehen, wie hoch diese Genauigkeit ist, stellen Sie sie sich als einen winzigen Bruchteil der Unsicherheit pro 10¹⁹ Zeiteinheiten vor. Zuvor hatten Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in diesem Jahr Kalziumionen-Atomuhren verwendet, um eine Systemunsicherheit von 4,4×10⁻¹⁹ zu erreichen, sodass der vom singapurischen Team angekündigte Wert von 1,2×10⁻¹⁹ diesen Indikator weiter auffrischte.
Allerdings ist die Messung der Genauigkeit von Atomuhren auch eine äußerst schwierige Aufgabe. Ab Erreichen dieses Niveaus sind auch die Unterschiede in der Schwerkraft der Erde nicht mehr zu vernachlässigen. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie vergeht die Zeit umso langsamer, je stärker die Schwerkraft ist. Bei dieser Präzision könnte bereits ein Höhenunterschied von nur wenigen Millimetern zwischen zwei Atomuhren aufgrund ihrer unterschiedlichen Entfernung vom Erdkern zu einem Zeitunterschied führen, der groß genug ist, um die experimentellen Ergebnisse zu beeinflussen.
Mit anderen Worten: Wenn Wissenschaftler eine Sekunde in Billionen oder mehr extrem kleine Zeitscheiben zerteilen, können die extrem schwachen Gravitationsunterschiede zwischen verschiedenen Orten auf der Erdoberfläche zu wichtigen Variablen im Experiment werden. Daher muss das Atomuhrenlabor nicht nur Bedingungen wie Temperatur, Magnetfeld, Laser usw. kontrollieren, sondern auch die Position und Höhe der beiden Uhren äußerst genau messen.
Und genau diese unglaubliche Empfindlichkeit ist einer der wichtigsten wissenschaftlichen Werte der nächsten Generation von Atomuhren. Da die Zeit durch Gravitationsfelder beeinflusst wird, können Wissenschaftler, wenn Atomuhren genau genug sind, sogar extrem kleine Unterschiede in der Schwerkraft messen, indem sie Zeitänderungen an verschiedenen Orten vergleichen. Diese Fähigkeit könnte in Zukunft für präzise Erdmessungen genutzt werden, etwa zur Untersuchung unterirdischer Strukturen, geologischer Veränderungen und subtiler Veränderungen im Gravitationsfeld der Erde.
Noch wichtiger ist, dass extrem hochpräzise Atomuhren auch in der physikalischen Grundlagenforschung eingesetzt werden können. Wissenschaftler hoffen, mit diesen Geräten nach ungelösten Widersprüchen zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu suchen und neue Physik jenseits des Standardmodells zu erforschen. Wenn sich beispielsweise bestimmte Parameter, von denen angenommen wird, dass sie grundlegende Konstanten in der Natur sind, im Laufe der Zeit oder in der Umgebung tatsächlich nur geringfügig ändern, könnte eine ausreichend präzise Atomuhr diese Anomalie möglicherweise erfassen.
Gleichzeitig treiben neue optische Atomuhren auch Veränderungen im internationalen Metrologiesystem voran. Während verschiedene Atomuhren wie Strontium, Ytterbium, Aluminiumionen, Kalziumionen und Lutetium weiterhin Genauigkeitsrekorde aufstellen, untersucht die internationale Wissenschaftsgemeinschaft, ob die aktuelle Definition von „Sekunde“, die auf dem Mikrowellenübergang von Cäsiumatomen basiert, in Zukunft durch optische Frequenzstandards ersetzt werden sollte.
Im Vergleich zu herkömmlichen Cäsium-Atomuhren ist die Betriebsfrequenz optischer Atomuhren um mehrere Größenordnungen höher, so dass sie theoretisch eine genauere Zeitreferenz liefern können. Wenn die internationale Metrologie-Community beschließt, die „Sekunde“ in Zukunft neu zu definieren, werden diese optischen Atomuhren wichtige Kandidatentechnologien.
Das singapurische Team glaubt, dass die Lutetium-Atomuhr über besonderes Potenzial verfügt, da sie nicht nur eine extrem hohe Genauigkeit erreichen kann, sondern auch relativ unempfindlich gegenüber Veränderungen in der äußeren Umgebung ist, was bedeutet, dass es möglich ist, in Zukunft ein stabileres und praktischeres hochpräzises Zeitmesssystem zu schaffen.
Natürlich ist 1,2×10⁻¹⁹ immer noch die unter Laborbedingungen ermittelte Systemunsicherheit, und das bedeutet nicht, dass diese Atomuhr in jeder Umgebung genau die gleiche Leistung aufrechterhalten kann. Die Forscher müssen außerdem weitere Messungen und Kreuzvalidierungen unter verschiedenen Bedingungen durchführen, um diese Aufzeichnung weiter zu bestätigen und mögliche systematische Fehler weiter zu reduzieren.
Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass es im weiteren Verlauf des Experiments Raum für weitere Verbesserungen der Genauigkeit der Lutetium-Atomuhr gibt. Teamleiter Murray Barrett glaubt sogar, dass es angesichts der aktuellen technischen Route schwierig sein wird, eine Lösung zu finden, die diese Architektur in Zukunft problemlos übertreffen kann.
Diese Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Wenn nachfolgende Experimente die Leistung der Lutetium-Atomuhr weiter verifizieren können, könnte sie nicht nur ein wichtiger Kandidat für die nächste Generation globaler Zeitmaßstäbe werden, sondern möglicherweise auch ein neues Werkzeug zur Untersuchung von Schwerkraft, dunkler Materie und grundlegenden physikalischen Gesetzen. Mit anderen Worten: Dieses Gerät, das scheinbar nur dazu dient, die Zeit genauer zu messen, treibt die Fähigkeit der Menschheit, die Grundgesetze des Universums zu messen, tatsächlich in ein beispielloses Ausmaß.
Kommentare